黄土高原半干旱区紫花苜蓿覆膜垄沟和施肥效应研究

孟宣辰， 马鹏程, 马 杰， 段 珍， 韩阳阳， 张吉宇

(草地农业生态系统国家重点实验室， 农业农村部草牧业创新重点实验室， 兰州大学草地农业科技学院， 甘肃 兰州 730020)

在黄土高原半干旱地区，紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是农牧系统重要的豆科牧草，营养价值高，并且能控制水土流失，改善生态环境[1-3]；然而，由于降水和土壤瘠薄的限制，草产量通常很低[4]。因此，改善土壤水分和养分状况对提高苜蓿产量至关重要。

垄沟集雨覆盖种植技术已成为全球干旱和半干旱区农田生态系统的一项重要农业种植模式[5-6]。沟垄耕作、垄面覆膜，沟内种植作物的方式，具有集雨、水、保墒和增温等效果[7]，能够实现对自然降水的资源化和高效化，并对降水的时空错位可通过人工行为进行一定程度的调整和分配，既能促进农田土壤对有限降水的蓄存，又能有效抑制土壤水分的无效蒸发，同时能够提高土壤温度，进而提高作物水分利用效率和产量[8-11]。垄沟覆膜技术已在农作物上得到广泛应用，如：小麦(TriticumaestivumL.)、玉米(ZeamaysL.)和马铃薯(SolanumtuberosumL.)等[12-14]，且大多数研究集中于土壤水热[15-17]和集雨效率[18-19]等方面，并最终解释产量增加的原因，但有关苜蓿的研究较少。合理的施肥是获得高产稳产优质的关键[20]。适当的氮、磷、钾配比施肥可以有效的提高紫花苜蓿鲜草产量，对营养品质有显著的提高，同时也可以有效改善土壤的理化性状[21-22]。“3414”施肥试验方案能够获得作物最佳施肥比例和施肥量，是农业部推荐的测土配方施肥田间试验方案之一，并有处理少和效率高等优点[23]，但在垄沟覆膜条件下苜蓿的“3414”施肥试验研究鲜有报道。

本研究在黄土高原半干旱区，以露地平播(No mulching，NM)、全地面覆膜平播(Full film，FF)、半覆盖平播(Half full film，HF)、覆膜垄沟播(Mulching ridge，MR)、土垄沟播(Soil ridge，SR)五个处理，研究了不同覆膜和垄沟技术对土壤水热的影响，进而揭示提高苜蓿产量和品质的原因；并参照“3414”施肥试验设计，在覆膜垄沟件下，研究了氮、磷、钾不同肥料配比对苜蓿产量和品质、土壤肥力的影响，以期为黄土高原旱作区紫花苜蓿提供科学有效的种植技术和施肥指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料和地点

试验品种为陇东紫花苜蓿。试验地点在陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区的定西市李家堡镇麻子川村，2014—2015年连续测定2年。图1为2014和2015年试验区3—9月降雨量及平均气温。

图1 2014和2015年试验区3—9月降雨量及平均气温

1.2 试验设计

1.2.1覆膜处理 试验采用随机区组设计，共设5个处理(图2)，试验小区面积为4 m×5 m，每个处理重复3次，播量22.5 kg·hm-2：

(1)露地平播：不覆盖地膜，采用条播方式，行距30 cm

(2)全地面覆膜平播：用700 mm宽的黑色地膜平铺覆膜，膜与膜间不留空隙，采用条播方式，行距30 cm

(3)半覆膜平播：用700 mm宽的黑色地膜覆盖，净膜50 cm，膜间留20 cm的空隙，采用条播方式膜下播2行，行距50 cm；播种后膜间用小麦秸秆覆盖

(4) 覆膜垄沟播：用宽700 mm薄膜覆盖垄。垄高25 cm，沟垄比为60∶60 cm，播种后沟内用小麦秸秆覆盖，苜蓿开始出苗时去掉秸秆。沟内种4行，行距15 cm

(5) 土垄沟播：不覆盖地膜,其他同MR。

1.2.2不同施肥处理 在采用覆膜垄沟播条件下，施肥参照“3414”施肥方案，并进行改良，各试验处理及其施肥量详见表1，共设置16个施肥处理，每个处理重复3次；第一年在播种期施入，第二年在返青期施入。

表1 试验处理及施肥量

1.3 测定指标

1.3.1土壤水分测定 使用土钻在沟内0～200 cm深度内采取土样，设置了0～5，5～10，10～30，30～50，50～80，80～110，110～140，140～170和170～200 cm总9个梯度，每个小区设定三个重复，采用烘干法测定土壤含水量[24]。

1.3.2土壤温度测定 每个处理安装一组土壤温度计，深度为5 cm，10 cm，15 cm，测定时间，从8∶00—18∶00，每隔2个小时记录1次，每种处理重复3次。

1.3.3干草产量的测定 2014年收获一茬，2015年收获两茬，于现蕾到初花期刈割，在各小区远离边行随机选取3个1 m的样段，留茬3～5 cm，称鲜重，随机抽取各处理的鲜草200 g左右，带回试验室杀青后置于80℃烘箱烘干至恒重，测重量。用此干鲜比换算出干草产量，然后计算单位面积的草产量(kg·hm-2)。将干草样用粉草机粉碎，用1 mm筛过筛，置于自封袋中，用作牧草品质分析。

1.3.4苜蓿品质的测定 粗蛋白质(Crude protein，CP)采用半微量凯氏定氮法测定；粗纤维(Crude fibre，CF)用酸碱分次水解法测定；粗脂肪(Ether extract，EE)采用索氏浸提法测定；粗灰分(Crude ash，Ash)用灼烧干重法测定。所有品质数据为2014和2015年的平均值。

1.3.5土壤元素测定 在2015年收获后进行了土壤元素的测定，速效氮用2 mol·L-1KCl浸提，采用流动注射分析法；速效磷用 0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提，采用分光光度计法；速效钾用 1.0 mol·L-1KCl醋酸氨浸提，采用火焰光度法；有机碳(有机质)测定采用重铬酸钾加热氧化法(K2Cr2O7·H2SO4氧化法)进行测定。

1.4 数据分析

利用SPSS Statistics 9.0软件采用单因素方差分析(ANOVA)的方法对所有数据进行分析，处理间的差异显著性分析采用LSD多重比较和Duncan’s检验，最小差异显著性水平为P=0.05，用Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 覆膜处理对土壤温度的影响

覆膜技术影响0～5 cm，5～10 cm，10～15 cm深度的土壤温度，各个处理随着时间的变化土壤温度均先升高后降低(图3a,图3b,图3c)。在返青初期，三个土壤深度中处理HF，FF，MR的土壤温度均大于对照NM。返青后94天(第一次刈割)、返青后132天、返青后140天(第二次刈割)和在返青后172天(第二次刈割后一月)，不同深度MR土壤温度明显低于其他处理。MR在苜蓿生长前期可以提高土壤温度，在生长中后期降低土壤温度。

图3 不同时期覆膜垄和土垄、半平膜、全平膜、露地处理0～15 cm土层土壤温度变化

2.2 覆膜处理对土壤水分的影响

覆膜处理对不同时期不同土层(0～200 cm)土壤水分的影响(图4)。建植第2年的紫花苜蓿返青期0～200 cm的土壤水分，MR，SR，HF，FF土壤含水量均随土层加深呈先增加后降低趋势；对照NM含水量均随土层加深缓慢上升；在0～110 cm，土壤含水量FF>MR>HF>SR>NM，说明在苜蓿越冬期，覆膜和垄沟技术能够提高0～110 cm土层含水量(图4a)。第1茬苜蓿于盛花期刈割后，在0～80 cm土层，MR>SR>HF>FF>NM，且MR和SR处理0～20 cm土层平均含水量较返青前增幅明显(图4b)。苜蓿第2茬生长期，试验区降雨量较第1茬生长期有所增加，而HF和FF处理在第一茬苜蓿生长过程覆盖的地膜破坏，土壤保持水分能力下降，在0～80 cm，土壤含水量MR>SR>HF>FF>NM(图4c)。第2次刈割后一个月再次测定水分含量，中间有降雨，MR在0～140 cm土层深度平均水分含量高于其他处理(图4d)。表明试验区覆膜和垄沟技术较其他处理具有较好的降水收集能力。

图4 0～200 cm土层不同时期覆膜垄和土垄、半平膜、全平膜、露地处理的土壤水分含量

2.3 覆膜处理对苜蓿产量、品质的影响

覆膜种植显著提高了紫花苜蓿的产量和品质(表2)。2014年各处理干草产量FF，HF，MR三者产量为最高，均高于NM和SR处理。2015年各处理干草产量MR最高，为4 999.5 kg·hm-2，相比NM增加了81.8%，且差异显著(P<0.05)；SR和HF也显著高于NM(P<0.05)。MR、SR和FF处理的粗蛋白含量显著高于对照NM(P<0.05)；MR和SR的粗脂肪含量显著高于对照NM(P<0.05)；中性洗涤纤维含量MR和SR显著低于NM(P<0.05)；酸性洗涤纤维和粗灰分含量各处理之间无显著差异(P<0.05)。结果表明覆膜和垄沟能够提高紫花苜蓿的产量和品质。

表2 覆膜和垄沟处理对苜蓿产量和品质的影响

2.4 不同施肥处理对苜蓿产量和品质的影响

由表3可知，2014年干草产量最高处理是P2K1N2，为4 119 kg·hm-2，相比对照P0K0N0增加了92.4%，差异显著(P<0.05)。2015年全年干草产量最高为P2K2N3，为6 366 kg·hm-2，显著高于对照P0K0N0(P<0.05)，增幅为45.9%。粗蛋白和粗脂肪含量最高的处理分别是P2K1N2和P2K2N3，都显著高于对照P0K0N0(P<0.05)；中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量最低的处理均是P2K1N2，显著低于对照处理P0K0N0(P<0.05)；各处理粗灰分含量无显著性差异。

表3 施肥处理对苜蓿品质和产量的影响

2.5 不同施肥处理对土壤肥力的影响

试验前土壤速效氮、速效磷、速效钾的含量都很低，有机质的含量较高。在2015年第二次刈割后，对不同处理下0～30 cm，30～60 cm深度取土进行土壤肥力测定(表4，表5)。除了有机质外，0～30 cm的土壤肥力高于30～60 cm。在土壤深度0～30 cm中，氨态氮和硝态氮最高处理均为P2K2N3，显著高于对照P0K0N0(P<0.05)，增幅为115.1%和76.5%；速效磷和速效钾最高处理是P3K3N2和P2K2N3，相比对照P0K0N0增加了75.6%和48.3%，差异显著(P<0.05)；有机质P2K2N0处理最高，并显著高于对照P0K0N0(P<0.05)(表4)。在土壤深度30～60 cm中，氨态氮和硝态氮最高的处理为P3K2N2和P3K3N2，相比对照P0K0N0增加了263.6%和188.4%，差异显著(P<0.05)，速效磷和速效钾最高的是P3K2N2和P1K2N2，相比对照P0K0N0提高了66.2%和33.9%，差异显著(P<0.05)；有机质P0K0N0处理最高(表5)。

表4 土壤肥力质量评价指标及不同处理下各指标的测定值(0～30 cm)

表5 土壤肥力质量评价指标及不同处理下各指标的测定值(30～60 cm)

3 讨论

3.1 覆膜技术对苜蓿干草产量、品质、土壤水分和土壤温度的影响

苜蓿在农业、畜牧业以及经济发展等方面具有不可替代的价值和作用，高效种植和栽培技术对于生产苜蓿十分重要[25]。水分是影响作物生产的首要因素，水分短缺会导致牧草的生长受到抑制，严重制约牧草的正常生长，从而影响牧草生长[26]。研究表明垄沟种植可以通过垄面径流，并将自然降水聚集在沟中，产生较小雨量的叠加，促进降雨的渗透[19,27,28]。同时沟垄耕作、垄面覆膜沟内种植作物的方式，对降水的时空错位进行一定程度的调整和分配，既能促进农田土壤对有限自然降水的蓄存，又能有效抑制土壤水分的无效蒸发[8-11,29]，使得覆膜垄沟技术能够促进苜蓿生长，提高干草产量[3]；也可以有效改善苜蓿干草的品质，最终实现高产、优质的双重目标[30-31]。也有研究表明覆膜还可以提高玉米、柑桔果实的产量和品质[32-33]。本试验表明覆膜垄沟处理可以显著提高了0～80 cm浅层土壤水分；尤其是试验区冬季温度低，多风，苜蓿越冬期内，覆膜和垄沟技术能够有效的减少土壤水分损耗，提高了返青期土壤水分，使得第1茬苜蓿长势更为良好，植株密度更高，可减小地面风速和减少地表水分蒸发；同时垄沟还可以集雨，故第1茬苜蓿时MR和SR处理0～20 cm土层平均含水量较返青前增幅明显。表明覆膜和垄沟技术表明覆膜和垄沟技术减少了土壤蒸发，比不覆膜有更好的集水效率，可以较好利用黄土高原有限的天然降水，还可以有效促进苜蓿生长。

温度是影响植物生长的关键因素之一，土壤温度对作物生长发育的影响大于气温[34]。Zhou等[35-36]研究表明在黄土高原玉米覆膜处理与不覆膜处理相比，增温最明显的时期在生长前期，最终提高玉米产量。这一点在本试验中也得到了良好的验证，在苜蓿返青期，HF和FF处理土壤温度高于其他处理，说明覆膜技术可以在紫花苜蓿生长前期提高土壤温度，促进其生长。同时Jia等[32,37]研究指出覆膜垄沟技术有更好的集雨效果能够更好的改善土壤水分，使得植株快速建立最佳冠层以捕获光和水资源，遮阴效果强。本试验也得到相似结果，相比于对照，覆膜垄沟处理生长的更快，使得较早的形成最佳冠层，遮阴效果显著，使得MR处理在苜蓿生长中后期不同时间段土壤深度5 cm，10 cm，15 cm处温度均显著低于其他处理。

3.2 施肥对苜蓿干草产量、品质和土壤肥力的影响

施肥是提高紫花苜蓿产量和品质的关键栽培措施之一。而牧草的产量、粗蛋白、粗脂肪和中性洗涤纤维等的高低是反映牧草料营养价值的重要指标[38]。大量的研究表明，氮、磷、钾肥单施或者配比施肥都对苜蓿的产量和品质有一定的影响[39]，也可以改善土壤的理化性状。在生产实践中合理的施肥配比是较优的施肥模式，可实现经济效益和生态效益双赢[40]。本研究表明，在垄沟覆膜条件下氮、磷、钾配比施肥可以提高紫花苜蓿干草产量和品质，并在施肥处理P2K2N3(P2O2:60 kg·hm-2，K2O:45 kg·hm-2,N:92 kg·hm-2)干草产量最高，为6366 kg·hm-2，粗蛋白、粗脂肪含量最高的处理分别是P2K1N2，P2K2N3；P2K1N2处理的中性洗涤和酸性洗涤纤维含量最低，这可能是适宜的氮磷钾配比通过加强自身的碳氮代谢能力促进对氮素的吸收和同化[22]。这与张铁军等[41]的结果一致，在黄淮海地区用中苜3号进行了施肥试验，研究发现适当的氮、磷、钾组合可以显著提高产量，鲜草产量最高可达23918.2 kg·hm-2，并可以提高紫花苜蓿的品质；且单施氮、磷、钾在一定范围内可以提高产量。但本研究集中在对现象的分析比较上,对肥料如何影响紫花苜蓿产量和品质的内在机理性尚不清楚，今后研究应探索揭示其内在的机理。

施肥是影响土壤质量演替及其可持续利用最为深刻的农业措施之一[42-43]。研究表明在玉米地长期均衡地施氮磷钾肥或氮磷钾肥与有机肥配施,可显著提高土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷、速效钾等肥力指标，提高土壤微量元素的含量[44]。高义民等[45]研究表明施氮磷钾肥增加了果园土壤的有效氮、磷、钾含量，其累积量在不同土层中的分布差异较大；与对照(CK)相比较，速效氮，速效磷，速效钾含量0～20 cm大于20～40 cm，20～40 cm大于40～60 cm土层。本试验表明，不同的氮、磷、钾配比施肥处理，可以提高土壤中铵态氮，硝态氮、速效磷、速效钾含量，且0～30 cm大于30～60 cm土层；在所有的施肥处理中，P2K2N3处理提高了土壤氨态氮、硝态氮、速效磷和速效钾的含量，改善土壤肥力效果最好。但由于试验的时间有限，确定最佳氮磷钾处理，还需进行长期的试验进行验证。

4 结论

在黄土高原半干旱区，覆膜垄沟处理相对露地处理在返青期、第一次和第二次刈割后提高了0～80 cm土壤含水量，在生长前期(返青初期)可以提高土壤温度，并显著提高紫花苜蓿干草产量和品质。施肥处理P2K2N3(P2O260 kg·hm-2，K2O 45 kg·hm-2，N 92 kg·hm-2)的紫花苜蓿干草产量高，达6 366 kg·hm-2，粗脂肪含量最高，也有效提高了土壤肥力，因此，是该地区最佳的施肥方案。